JPH06168340A

JPH06168340A - ３ｄグラフィック表示装置

Info

Publication number: JPH06168340A
Application number: JP31915892A
Authority: JP
Inventors: Asako Yumoto; 麻子湯本
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-11-30
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 1994-06-14

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】少ない計算量でレイ・トレーシングの現実感の
ある描画効果を得る。【構成】空間配置設定手段１、輝度計算手段３、及びバ
ウンディングボリューム設定手段２を備え、レイ・トレ
ーシング法により描画する表示装置において、ウインド
ウ分割手段４、逆視線レイ発生手段５、代表画素選定手
段６、及び輝度補間手段７を設ける。ウインドウ分割手
段４は、ウインドウを複数の画素ブロックに分割し、逆
視線レイ発生手段５は、物体を構成するオブジェクトに
属するか、又はバウンディングボリュームに属する代表
点から視点へ向けて逆視線レイを発生させ、逆視線レイ
が各画素ブロックを通過した数を算定する。代表画素選
定手段６は、その画素ブロックの代表画素の数と位置と
を決定し、輝度計算手段３は代表画素についてレイ・ト
レーシング法により輝度計算を行い、輝度補間手段７
は、その他の画素の輝度をすでに定まった画素の輝度か
ら補間によって算定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレイ・トレーシング（ra
y tracing)アルゴリズムによる描画を行う３Ｄグラフィ
ック表示装置に関する。

【０００２】グラフィック表示装置は、常に利用者か
ら、より現実感のある高速な描画技術を求められてき
た。近年、今までその膨大な計算量のために疎まれてい
たレイ・トレーシング・アルゴリズムを採用した３Ｄグ
ラフィック表示装置が、高性能なプロセサの出現などに
よって主流となりつつある。

【０００３】このため、個人利用者にも対応できるパソ
コンなど計算能力の点で制約のある装置においても、現
実感のある画像を描画するレイ・トレーシングを利用し
た表示装置が望まれてきている。

【０００４】

【従来の技術】図４は従来技術の概念図である。図４
（Ａ）は理想的３Ｄグラフィクスの説明図である。３次
元空間をプロセサ（のメモリ）内に想定し、その空間に
物体と光源を配置し、視点の位置を設定し、その前にウ
インドウを置く。ウインドウはディスプレイ装置の画面
に対応する。したがってフレームバッファに相当する。

【０００５】光源から発した光は物体に当たり、反射
し、屈折し、散乱してウインドウを通過して視点に到達
する。視点に到達した光の色や強さをウインドウ（フレ
ームバッファ）の通過位置の画素に記録する。これによ
り、３次元画像がディスプレイ装置の画面に表示され
る。

【０００６】図４（Ｂ）はレイ・トレーシングの説明図
である。光源から発した光をすべてトレースするのは無
駄が多いので、実際には逆に視点から各画素に向けて光
（視線レイ）が発したとしてトレースして、光の経路を
決定する。そして、光源（環境光を含む）の輝度、光の
経路内の各物体の表面反射率、透過率、散乱係数等によ
り画素位置における輝度を計算する。

【０００７】図４（Ｃ）は従来のレイ・トレーシングに
よる描画法の構成図を示したもので、空間配置設定手段
１、バウンディングボリューム設定手段２、輝度計算手
段３から成る。

【０００８】空間配置設定手段１では、利用者の指示に
従って、描画したい物体のある世界座標系においてウイ
ンドウ（ディスプレイ画面）の位置や、大きさなどを定
める。すなわち、視点、ウインドウ、物体の位置と大き
さの関係を定める。

【０００９】バウンディングボリューム設定手段２で
は、物体（１つ以上のオブジェクトよりなる）と視線レ
イの交差判定を速く行うため、物体に外接する単純な幾
何学形体を物体周囲に設置する。これをバウンディング
ボリュームという。バウンディングボリュームとしては
直方体（立方体）、楕円体（球）等が用いられ、視線レ
イがバウンディングボリュームと交差するかどうかの判
定は容易である。物体と視線レイの交差の判定は、一般
に物体の形状が複雑であるため演算量が多く時間がかか
るので、まずバウンディングボリュームとの交差を判定
し、交差しているときあらためて物体との交差を判定す
る。

【００１０】輝度計算手段３では、前述のウインドウや
バウンディングボリュームを使用して、ウインドウの１
画素毎に視線レイを発生させトレースして、その画素の
輝度を算出するということを行う。

【００１１】このように、従来の技術では、利用者によ
って設定されたウィンドウ画面上の画素１つ１つから視
線レイを発生させ、可視物体を判定し、その色を輝度計
算で求める方法がとられていた。しかしこの方法では、
大きな解像度をもつ画面の場合に計算時間がかかりすぎ
るという問題がある。この問題は、特にパソコンなどの
計算能力の小さいマシンにおいて顕著であった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術ではウィン
ドウの１画素毎に視線レイを発生させて輝度計算を行っ
ていたため、同じ輝度または大差のない画素が多い場合
でも、各画素毎に膨大な輝度計算を行なわなければなら
なかった。そのため、パソコンなどの個人利用者では、
レイ・トレーシングによる描画を気軽に使うことはでき
なかった。

【００１３】本発明は、代表画素を選定し、それについ
てのみレイ・トレーシングを行い、他の画素については
単純な計算ですむ補間を行うことにより、計算時間を減
少させ、高速にしたグラフィック表示装置を実現するこ
とを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理構成
図である。図１において、１は空間配置設定手段、２は
バウンディングボリューム設定手段、３は輝度計算手
段、４はウインドウ分割手段、５は逆視線レイ発生手
段、６は代表画素選定手段、７は輝度補間手段である。

【００１５】レイ・トレーシング法により描画する３Ｄ
グラフィック表示装置は、通常、空間配置設定手段１
と、輝度計算手段３と、必要によりバウンディングボリ
ューム設定手段２とを備えている。

【００１６】これに加えて本発明では、ウインドウ分割
手段４と、逆視線レイ発生手段５と、代表画素選定手段
６と、輝度補間手段７とを設ける。空間配置設定手段
１、バウンディングボリューム設定手段２では、従来の
技術と同様に、それぞれ世界座標系において、物体（オ
ブジェクト）、ウィンドウ、視点の位置関係を設定し、
オブジェクトを内包するバウンディングボリュームを設
定する。バウンディングボリューム設定時にはその座標
と共に内包オブジェクト数とその番号を保持するのが一
般的である。

【００１７】ウインドウ分割手段４は、空間配置設定手
段１によって設定されたウインドウを適当な大きさの複
数の画素ブロックに分割する。逆視線レイ発生手段５
は、物体を構成するオブジェクトに属する、またはバウ
ンディングボリューム設定手段２により設定されたバウ
ンディングボリュームに属する、代表点から逆視線レイ
を発生させ、それが視点に到達するときに各画素ブロッ
クを通過した数を算定する。

【００１８】代表画素選定手段６は、逆視線レイが各画
素ブロックを通過した数に基づいて、その画素ブロック
の代表画素の数および位置を決定する。代表画素の決め
方には例えば、逆視線レイが通過した画素を代表画素と
する方法、通過した数に比例した数の代表画素を画素ブ
ロック内に均等に配分する方法等がある。

【００１９】輝度計算手段７は代表画素についてレイ・
トレーシング法により輝度計算を行う。輝度補間手段７
は、その他の画素の輝度をすでに定まった画素の輝度か
ら補間によって算定する。

【００２０】また、各画素ブロックの代表画素選定時
に、対応するバウンディングボリュームの内包オブジェ
クト数によって逆視線レイ数に荷重をかけて算出するよ
うにしてもよい。

【００２１】別の方法として、逆視線レイ発生手段５
は、ウインドウ全体を対象として、逆視線レイが通過し
た画素位置を記録し、ウインドウ分割手段４は、その画
素位置をもとにウインドウを分割して、通過した逆視線
レイ数があらかじめ定めた数以下になるように各画素ブ
ロックを設定するようにしてもよい。

【００２２】この場合には、逆視線レイが各画素ブロッ
クを通過した数はほぼ一定なので、代表画素の決め方と
して代表画素の数を一定にしそれを画素ブロック内に均
等に配置する方法がある。

【００２３】

【作用】本発明ではウィンドウを適当な大きさに分割し
て、複数画素を含んだ画素ブロックとして扱う。

【００２４】物体側の適当な代表点（例えば頂点、重心
等）から視点に向けて逆視線レイを発生させ、それらが
画素ブロックを通過した数を画素ブロック毎に調べる。
すなわち各画素ブロックから物体またはその構成要素で
あるオブジェクトがいくつ見えるかの程度を算定し、そ
の結果により、その画素ブロックにおける輝度計算を行
うべき代表画素の数と位置を決定する。通常オブジェク
ト毎に色を設定する使い方をするので、多くのオブジェ
クトが見える画素ブロックはその中に色が異なる部分を
多く含むと考えるべきである。それに対処して、多くの
オブジェクトが見える画素ブロックには、細かく代表点
を設定することができる。または逆に、見えるオブジェ
クトの数を一定以下にするように画素ブロックの大きさ
を変えることができる。この場合、同一画素ブロック内
の画素は同じような輝度になると予想される。

【００２５】輝度計算は従来の輝度計算手段と同じで、
レイ・トレーシング・アルゴリズムによって輝度を算出
するが、従来のウィンドウの各画素毎ではなく、決定し
た代表画素にだけ輝度計算を行うため計算量が非常に少
なくてすむ。

【００２６】しかも代表画素として逆視線レイの通過し
た画素を設定するなどの場合、レイ・トレーシング輝度
計算における代表画素を起点とする視線レイとバウンデ
ィングボリュームの交差判定を省略できる。

【００２７】輝度計算手段で求めた代表画素の輝度か
ら、輝度計算を省略したその他の画素の輝度は補間によ
って算出するため計算時間は少ない。このため、大きな
オブジェクトが多く、オブジェクトの数が少なく、オブ
ジェクトが偏在している程、計算量を減少できる。

【００２８】

【実施例】

実施例１バウンディングボックスの頂点を逆視線レイの発生点と
する例輝度計算の代表画素算出に用いるバウンディングボリュ
ームとして、バウンディングボックスを使用し、逆視線
レイ発生点にその頂点８つを採用した例である。光源影
づけなどの交差判定で、計算量の少なさからバウンディ
ングボリュームとしてバウンディングボックスを採用す
ることが多いので、バウンディングボックスを用いた代
表画素選定は無駄が少なくてすむ。また、バウンディン
グボックス頂点はオブジェクト頂点座標のなかの最大最
小座標を使って算出されることが多いため、バウンディ
ングボックス上の任意の点を採用するよりもオブジェク
トが映り込む可能性のある画素を探索するのに確実性が
増す。

【００２９】以下にその手順を示す。ウインドウ分割手段４は、適当な大きさにウインド
ウを分割（例えば、各画素ブロックが８×８画素または
16×16画素程度になるように分割）し、それぞれを画素
ブロックとする。逆視線レイ発生手段５は、各バウンディングボック
スの頂点を算出し、そこから逆視線レイを視点に向けて
発生させる。それが各画素ブロックを通過した数を算定
する。代表画素選定手段６は、通過した逆視線レイの数に
１を加え、それを２乗した数を代表画素の数とし、それ
を画素ブロック内にほぼ均等に配置する。輝度計算手段３は、代表画素についてレイ・トレー
シング法により輝度計算を行なう。輝度補間手段７は、その他の画素の輝度を補間によ
って算定する。

【００３０】本実施例はオブジェクトが少ない画素ブロ
ックは代表画素の数を少なく、オブジェクトが多い画素
ブロックは代表画素を多く配置することで補間による乱
れを少なくするようにしている。実施例２図２、図３に画素ブロックの大きさを変え、逆視線レイ
の密度（オブジェクトの密度）を一定にする例を示す。逆視線レイ発生手段５は、各バウンディングボック
スの頂点を算出し、そこから逆視線レイを視点に向けて
発生させる。それがウインドウを通過した画素位置を記
録する。〔図２（Ａ），（Ｂ）〕ウインドウ分割手段４は、ウインドウを縦横各々２
分割し４つの画素ブロックを設定する。〔図３（Ａ）
１〕各画素ブロック毎に通過した逆視線レイの数を数え、そ
の数が２以上の画素ブロックを再度同様に分割する。こ
の過程を、通過した逆視線レイの数が２以上の画素ブロ
ックが無くなるまで繰り返す。〔図３（Ａ）２〕代表画素選定手段６は、通過した逆視線レイの数が
１および０の画素ブロックに一定数の画素を均等に配置
して（例えば、画素ブロックの対角線を４等分した点の
位置）代表画素とする。〔図３（Ｂ）〕その他は実施例１と同じである。

【００３１】本実施例は、画素ブロック毎の通過した逆
視線レイの数（バウンディングボリューム数に関連）を
算出し、その結果で輝度計算代表点を決定するのでな
く、画素ブロック自体を細分化する場合を示している。

【００３２】実施例１がバウンディングボリューム数に
よって、画素ブロックあたりの輝度計算代表点数を変化
させて、各バウンディングボリュームあたりの輝度計算
をする画素の割合を一定化するのに比べ、本実施例は画
素ブロック自体の大きさを変化させることで一定化す
る。これによって、最初の画素ブロックの大きさを、特
に考慮せずに設定することができる。また、常に画素ブ
ロック内の代表画素の数や代表画素の採用位置などを一
定に保つこともできる。実施例３バウンディングボリュームがない場合。

【００３３】バウンディングボリュームを設定しない
で、輝度計算の代表画素選定に用いる逆視線レイ発生点
に各オブジェクト上の座標を用いる例である。逆視線レ
イ発生手段５において、オブジェクトをウィンドウに平
行な面へ写影し、その面内の写影図形に外接する物体の
頂点を算出し、その点から逆視線レイを発生させる。こ
れによって、バウンディングボリュームをこの代表点算
出のために生成するのとほぼ同じ計算量で、より確実に
画素ブロックへのオブジェクト映り込みの可能性を判定
できる逆視線レイ発生点を算出できる。実施例４逆視線レイが通過した画素を代表画素とす
る例代表画素として、画素ブロックのなかのバウンディング
ボリュームからの逆視線レイが当たった画素を使用す
る。通過した逆視線レイに対応するバウンディングボリ
ュームを識別する番号も記憶しておく。これによって、
同じバウンディングボリュームに対応する画素部分が明
らかになるので、同じ輝度になる確率がより高い画素の
輝度計算の重複を避けることができる。また、代表画素
を通して発した視線レイは全てバウンディングボリュー
ムに当たるので、輝度計算手段３ではその番号を用い
て、バウンディングボリュームの交差判定抜きで、隠面
消去交差判定を行うことができ、さらに高速な輝度計算
が期待できる。実施例５画素ブロックにおける代表画素選定において、単に、写
りこむバウンディングボリュームの数を使うのではな
く、そのバウンディングボリュームに内包されるオブジ
ェクト数を、重みとして考慮にいれる。

【００３４】単にバウンディングボリュームの数を使っ
て代表画素を算出するときに比べ、バウンディングボリ
ュームの内包オブジェクトが、大きくて少ないオブジェ
クトであった場合のより多くの画素が同じ輝度を示すで
あろうときと、同じ輝度になりにくい小さくて多数のオ
ブジェクトがある場合の仕分けに効力がある。同じ輝度
の画素が多いときには、少ない代表点ですむため、これ
は代表画素数を決定するのに非常に有効で、輝度計算時
間を少なくしつつも、より精密な描画を保つことができ
る。実施例６フォンシェーディングの例輝度補間にフォンシェーディングを利用したものであ
る。係数計算手段において、画素ブロックの代表画素の
隠面消去交点での法線その他の係数を算出し、それらを
代表画素以外の画素に補間し、その補間された係数、又
は実際に代表として求めた係数を使って、フォンシェー
ディングの技法を使って輝度を算出する。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レイ・トレーシング法による輝度計算において、ウィン
ドウ画素全てから視線レイを発生させるのでなく、あら
かじめバウンディングボックスまたはオブジェクトから
逆視線レイを発して、ウィンドウのどの画素ブロックに
いくつのオブジェクトが対応するかを予測し、それによ
って画素ブロック毎に選択した代表画素でのみ輝度計算
を行い、他の画素は輝度補間から求めることで、少ない
計算量でレイ・トレーシングの現実感のある描画効果を
得ることができる。

【００３６】描画効果の程度はレイ・トレーシング、フ
ォンシェーディング、グーローシェーディング、コンス
タントシェーディングの順であるが、本発明と適切な補
間手段とを適用すれば従来のレイ・トレーシングに対し
て速度は１０〜１００倍でグーローシェーディング以上
の効果をもつ３Ｄグラフィック装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】実施例２の説明図（その１）である。

【図３】実施例２の説明図（その２）である。

【図４】従来技術の概念図である。

【符号の説明】

１空間配置設定手段２バウンディングボリューム設定手段３輝度計算手段４ウインドウ分割手段５逆視線レイ発生手段６代表画素選定手段７輝度補間手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空間配置設定手段（１）と、輝度計算手
段（３）と、必要によりバウンディングボリューム設定
手段（２）とを備え、レイ・トレーシング法により描画
する３Ｄグラフィック表示装置において、ウインドウ分割手段（４）と、逆視線レイ発生手段
（５）と、代表画素選定手段（６）と、輝度補間手段
（７）とを設け、ウインドウ分割手段（４）は、空間配置設定手段（１）
によって設定されたウインドウを複数の画素ブロックに
分割し、逆視線レイ発生手段（５）は、物体を構成するオブジェ
クトに属する、またはバウンディングボリューム設定手
段（２）により設定されたバウンディングボリュームに
属する、代表点から視点へ向けて逆視線レイを発生さ
せ、逆視線レイが各画素ブロックを通過した数を算定
し、代表画素選定手段（６）は、その数に基づいて、その画
素ブロックの代表画素の数と位置とを決定し、輝度計算手段（３）は代表画素についてレイ・トレーシ
ング法により輝度計算を行い、輝度補間手段（７）は、その他の画素の輝度をすでに定
まった画素の輝度から補間によって算定するように構成
したことを特徴とする３Ｄグラフィック表示装置。
【請求項２】逆視線レイ発生手段（５）は、物体を構
成するオブジェクトに属する、またはバウンディングボ
リューム設定手段（２）により設定されたバウンディン
グボリュームに属する、代表点から視点へ向けて逆視線
レイを発生させ、逆視線レイが通過したウインドウの画
素位置を記録し、ウインドウ分割手段（４）は、その画素位置をもとにウ
インドウを分割して、通過した逆視線レイ数があらかじ
め定めた数以下になるように各画素ブロックを設定する
ことを特徴とする請求項１の３Ｄグラフィック表示装
置。
【請求項３】バウンディングボリュームとしてバウン
ディングボックスを使用し、その各頂点から逆視線レイ
を発生させることを特徴とする請求項１または請求項２
に記載の３Ｄグラフィック表示装置。
【請求項４】バウンディングボリュームまたはオブジ
ェクトの凝縮点から逆視線レイを発生させることを特徴
とする請求項１または請求項２に記載の３Ｄグラフィッ
ク表示装置。
【請求項５】逆視線レイ発生手段（５）は、オブジェ
クトをウィンドウに平行な面に写影し、その面を法線方
向に移動させたとき写影図形に外接するオブジェクトの
頂点座標を算出し、その点から逆視線レイを発生させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３Ｄ
グラフィック表示装置。
【請求項６】各画素ブロックの代表画素選定時に、対
応するバウンディングボリュームの内包オブジェクト数
によって逆視線レイ数に荷重をかけて算出することを特
徴とする請求項１または請求項２に記載の３Ｄグラフィ
ック表示装置。
【請求項７】逆視線レイが通過した画素を代表画素と
することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の
３Ｄグラフィック表示装置。
【請求項８】輝度計算手段（３）と輝度補間手段
（７）の代わりに係数計算手段を設け、係数計算手段は代表画素の隠面消去交点での法線その他
の係数を算出し、その他の画素については代表画素の値
から補間によって算出し、それらの係数を使ってフォンシェーディング法により輝
度を算出することを特徴とする請求項１または請求項２
に記載の３Ｄグラフィック表示装置。